Le besoin grandissant de fabriquer des circuits aux fonctions de plus en plus nombreuses<br />nécessite de développer des dispositifs électroniques nouveaux. Les condensateurs<br />METAL-ISOLANT-METAL (MIM) intégrés dans les interconnexions des circuits font<br />partie de ces dispositifs. La course à la réduction de surface de substrat occupée impose<br />de réduire les dimensions de ces condensateurs MIM et d'augmenter leur densité surfacique<br />de capacité.<br />Pour atteindre cette performance il est nécessaire d'utiliser des diélectriques à plus forte<br />permittivité que SiO2. Les oxydes métalliques Al2O3, HfO2 et Ta2O5 font partie des candidats<br />intéressants pour remplir ce rôle de diélectrique à forte permittivité. Néanmoins<br />l'utilisation de tels matériaux ne va pas sans poser de problèmes de courants de fuite, de<br />relaxation diélectrique et de non-linéarités en tension. Du fait de leurs faibles amplitudes,<br />les non-linéarités de capacité en fonction de la tension sont des phénomènes peu étudiés<br />et donc mal compris. Pour certaines applications spécifiques il est nécessaire de contrôler<br />et de limiter ces non-linéarités. Cela nécessite d'abord d'étudier en profondeur leurs caractéristiques et notamment leurs origines physiques.<br />Après des rappels généraux sur la physique des diélectriques, ce manuscrit de thèse<br />présente une étude ab initio des propriétés diélectriques du cristal alpha-Al2O3 qui permet<br />d'extraire le tenseur diélectrique entre 0 et 1E16 Hz et qui montre que la contribution<br />électronique à la permittivité ne dépend pas du champ électrique. Cette première partie,<br />théorique, est suivie d'une étude exhaustive de capacités MIM à base d'alumine amorphe<br />dont on tire les principales caractéristiques des non-linéarités de capacitéen fonction du<br />champ électrique appliqué. Nous proposons ensuite deux modèles physiques (un qui repose<br />sur la polarisation dipolaire et un qui repose sur la polarisation ionique) afin d'interpréter<br />les caractéristiques C(V,T). La dernière partie de ce manuscrit de thèse propose de comparer<br />les caractéristiques électriques des capacités à base d'alumine à celles de capacités<br />utilisant d'autres diélectriques, en particulier le Ta2O5, le Si3N4 et le SiO2. La fin de cette<br />partie est consacrée à l'étude de capacités « multicouches » pour lesquelles on propose<br />un modèle simple pour prévoir les non-linéarités de capacité en fonction de la tension<br />appliquée.<br />Ainsi ce travail de recherche fournit une vue générale des propriétés diélectriques de<br />matériaux diélectriques utilisés en microélectronique tant d'un point de vue théorique<br />que d'un point de vue expérimental.

In dieser Arbeit wurden die Strom-Spannungs- und Kapazitäts-Spannungs-Kennlinien von Ag/n-GaAs(100) Schottky-Dioden untersucht, wobei die Kennlinien durch organische Zwischenschichten verschiedener Dicke modifiziert werden. Dazu wird der organische Halbleiter 3,4,9,10- Perylentetracarboxyldianhydrid (PTCDA) verwendet. Die PTCDA-Schichten werden mittels Organischer Molekularstrahldeposition (OMBD) hergestellt. Die Charakterisierung der Ag/PTCDA/GaAs-Dioden erfolgte sowohl in situ als auch ex situ.

4H-SiC based Metal-Oxide Semiconductor(MOS) capacitors are promising key components for next generation power devices. For high frequency power applications, however, there is a major drawback of this type of devices, i.e. they have low inversion channel mobility that consequently affects the switching operation in MOS Field-Effect Transistors (MOSFETs). Carbon clusters or excess carbon atoms in the interface between the dielectric layer and SiC is commonly considered to be the carrier trapping and scattering centers that lower the carrier channel mobility. Based on the previous work in the research group, a new fabrication process for forming the dielectric layer with a lower density of the trap states is investigated. The process consists of standard semiconductor cleaning, pre-treatments, pre-oxidation, plasma enhanced chemical vapor deposition (PECVD) and post oxidation annealing. I-V measurements of the dielectric strength showed that the resulting layers can sustain proper working condition under an electric field of at least 5MV/cm. C-V characteristics measurements provided the evidence that the proposed method can effectively reduce the interfacial states, which are main culprit for a large flat band voltage shift of C-V characteristics, in particular under annealing at 900°C in nitrogen atmosphere.

Les architectures des dispositifs Silicium-Sur-Isolant (SOI) représentent des alternatives attractives par rapport à celles en Si massif grâce à l’amélioration des performances des transistors et des circuits. Dans ce contexte, les plaquettes SOI doivent être d’excellente qualité.Dans cette thèse nous développons des nouveaux outils de caractérisation électrique et des modèles pour des substrats SOI avancés. La caractérisation classique pseudo-MOSFET (-MOSFET) pour le SOI a été revisitée et étendue pour des mesures à basses températures. Les variantes enrichies de -MOSFET, proposées et validées sur des nombreuses géométries, concernent des mesures split C-V et des mesures bruit basse fréquence. A partir des courbes split C-V, une méthode d'extraction de la mobilité effective a été validée. Un modèle expliquant les variations de la capacité avec la fréquence s’accorde bien avec les résultats expérimentaux. Le -MOSFET a été aussi étendu pour les films SOI fortement dopés et un modèle pour l'extraction des paramètres a été élaboré. En outre, nous avons prouvé la possibilité de caractériser des nanofils de SiGe empilés dans des architectures 3D, en utilisant le concept -MOSFET. Finalement, le SOI ultra-mince dans la configuration -MOSFET s'est avéré intéressant pour la détection des nanoparticules d'or. / Silicon-On-Insulator (SOI) device architectures represent attractive alternatives to bulk ones thanks to the improvement of transistors and circuits performances. In this context, the SOI starting material should be of prime quality.In this thesis, we develop novel electrical characterization tools and models for advanced SOI substrates. The classical pseudo-MOSFET (-MOSFET) characterization for SOI was revisited and extended to low temperatures. Enriched variants of -MOSFET, proposed and demonstrated on numerous geometries, concern split C-V and low-frequency noise measurements. Based on split C-V, an extraction method for the effective mobility was validated. A model explaining the capacitance variations with the frequency shows good agreement with the experimental results. The -MOSFET was also extended to highly doped SOI films and a model for parameter extraction was derived. Furthermore, we proved the possibility to characterize SiGe nanowire 3D stacks using the -MOSFET concept. Finally thin film -MOSFET proved to be an interesting, technology-light detector for gold nanoparticles.

Avec l’usage intensif de dispositifs microélectroniques modernes, il existe un besoin croissant de mémoires non volatiles. La FeRAM (mémoire ferroélectrique à accès aléatoire) est une des mémoires de nouvelle génération les plus prometteuses en raison de sa faible consommation et de sa vitesse élevé de lecture/écriture. Parmi les différents matériaux ferroélectriques, le PZT (Pb (Zr1-x,Tix)O3) présente une polarisation rémanente élevée et un faible champ coercitif qui en font un candidat de choix pour les FeRAM.Dans cette thèse, la croissance épitaxiale de couches de PZT (52/48) d’épaisseurs variables (33 à 200 nm), sur un substrat de SrTiO3 et une électrode inférieure interfaciale de SrRuO3, a été réalisé par deux méthodes pour comparaison : pulvérisation cathodique et sol – gel. Trois matériaux conducteurs différents (SrRuO3, Pt et ITO) ont été utilisés comme électrode supérieure. L’objectif a été une étude détaillée des propriétés électriques et ferroélectriques de ces structures MFM (métal-ferroélectrique-métal), avec une attention particulière sur l’influence des conditions d’élaboration et de la nature des électrodes sur le courant de fuite et la dynamique de basculement de domaines.Les capacités élaborées par pulvérisation ou sol-gel présentent des caractéristiques semblables : Au-delà d’une épaisseur minimum d’environ 100 nm, pour une structure capacitive à base de PZT de 100 × 100 μm2, elles montrent un faible courant de fuite, une permittivité relative maximale élevée (600 - 1300) et une polarisation rémanente élevée (30 - 40 μC/cm2). Les mécanismes dominants dans le courant de fuite ont été identifiés par un fit des résultats, manifestant différentes contributions en fonction du champ électrique. Des caractérisations par PFM (microscopie à force piézoélectrique) confirme l’existence de domaines ferroélectriques de directions opposées. Il est aussi montré que le champ coercitif dépend fortement de la fréquence de travail. D’autre part, les propriétés d’impression dépendent de l’électrode supérieure, de la nature du recuit et de l’épaisseur de l’électrode inférieure. / With the intensive use of modern microelectronic devices in numerous areas, there is an increasing demand for non-volatile memories. FeRAM (ferroelectric random access memory) is one of the most potential next-generation memories for its ultra-low power consumption and high read/write rate. Among various ferroelectrics, PZT (Pb(Zr1-x,Tix)O3) exhibits high remnant polarization and low coercive field, which make it a promising candidate for FeRAM.In this dissertation, PZT(52/48) layers of various thicknesses (from 33 nm to 200 nm) have been epitaxially grown on SrTiO3 substrate, with a SrRuO3 interlayer as bottom electrode, using two deposition methods for comparison: sol-gel and sputtering. Three different conductive materials (SrRuO3, Pt and ITO) have been deposited as top electrode. The objective was a detailed study of the electrical and ferroelectric properties of these MFM (metal-ferroelectric-metal) capacitors, with a particular investigation of the influence of elaboration conditions and electrode material on leakage currents and domain switching dynamics.Sputtered and sol-gel-derived PZT capacitors showed similar properties: Above a minimum workable thickness of about 100 nm for a 100 × 100 μm2 PZT capacitor, they showed low leakage current, high maximum relative permittivity (600 - 1300) and high remnant polarization (30 - 40 μC/cm2). The dominant leakage current mechanisms were identified by fitting the results, showing different contributions as a function of electric field. PFM (piezoresponse force microscopy) characterizations confirmed the existence of ferroelectric domains of opposite directions. Coercive field was found to be highly dependent on work frequency. Besides, imprint properties were found to be dependent on top electrode, annealing procedure and bottom electrode thickness.

Ce travail est consacré à l’étude de l’incorporation volontaire des dopants dans des films de carbure de silicium épitaxiés par la technique de dépôt chimique en phase vapeur. Le rôle des principaux paramètres de croissance (température, flux de dopant, vitesse de dépôt, pression dans le réacteur et le rapport C/Si) sur l’incorporation d’azote et d’aluminium a été étudié en détail. Les travaux menés jusqu’ici ont largement exploré les caractéristiques de l’incorporation de dopants, en particulier l’incorporation d’azote et ont montré des résultats parfois très dépendants de l’équipement de croissance utilisé. Afin d’explorer cette influence, une étude expérimentale exhaustive sur l’incorporation de N et Al a été réalisée sur des couches homoépitaxiées 4H-SiC sur la face carbone et sur la face silicium de substrats 4H-SiC dans nos réacteurs CVD. Cette étude a été complétée par une analyse des propriétés structurales, optiques et électriques de couches 4H-SiC dopé Al. Aussi, la fabrication de diodes pn a été expérimentée sur les couches épitaxiées dans nos réacteurs. Nous avons pu observer différentes tendances expérimentales selon la nature du dopant, l’orientation cristalline du substrat et l’environnement chimique durant la croissance. Nous en déduisons que le mécanisme derrière les tendances observées est largement influencé par des facteurs comme les conditions de croissance (c'est-à-dire la température de croissance et/ou la pression) et la couverture de carbone à la surface de la croissance, surtout sur la face C / This work is dedicated to the investigation of intentional dopant incorporation in silicon carbide epilayers grown by chemical vapor deposition technique. The role of main process conditions (growth temperature, dopant supply, deposition rate, growth pressure and C/Si ratio) on both, Nitrogen and Aluminum incorporation was studied in details. Previous works have widely explored the characteristics of dopant incorporation, especially the nitrogen incorporation addressing a potential influence of growth equipment for the observed incorporation trends. An exhaustive experimental study of N and Al incorporation was performed for homoepitaxial 4H-SiC layers grown on Si- and C-faces of 4H-SiC substrates in our CVD setups to explore such influence. It was completed by the assessment of the structural, optical and electrical properties of the Al doped 4H-SiC films. Furthermore, the fabrication of pn diodes was tested on the grown layers. We have observed different experimental tendencies depending on dopant nature, crystal orientation and chemical environment. We conclude from these observations that the mechanism behind the experimentally obtained tendencies is widely influenced by factors such as process conditions (i.e. growth temperature and/or pressure) and the carbon coverage at the grown surface, especially on C-face

Nous avons élaboré des structures de quatre couches d'InN/InP (100) en enrichissant en In la surface nitrurée à l'aide d'une cellule d'évaporation calibrée. Les propriétés physiques de ces structures ont été étudiées in-situ à l'aide de spectroscopie, des électrons Auger (AES), des photoélectrons X (XPS) et UV (UPS) avant d'être analysées ex-situ par photoluminescence (PL) et mesures électriques (I(V) et C(V)). Nous avons mené une étude de PL en fonction de la température et l'évolution de l'énergie du pic de PL obtenue en fonction de la température suivait la forme en S-inversé caractéristique des effets de localisation. Les caractéristiques électriques courant-tension des structures Hg/InN/InP montrent qu'elles forment un contact Schottky. Les caractéristiques capacité-tension montrent qu'elles se comportent comme une structure lorsqu'on polarise négativement et comme une structure MIS quand on polarise positivement. Dans la dernière partie de cette thèse, des résultats sont présentés sur l'étude des propriétés physico-chimiques et optiques de semi-conducteurs poreux : le GaAs et l'InP poreux. L'effet de confinement quantique dans les cristallites de GaAs poreux a été confirmé après avoir caractérisé optiquement par Photoréflectivité (PR) et photoluminescence (PL) des échantillons de GaAs poreux

Cette étude concerne les propriétés structurales, optiques et électriques des couches minces d'oxynitrure de silicium ( SiOxNy) élaborées par pulvérisarion cathodique radiofréquence d'une cible de silicium dans un plasma argon-oxygène-azote. La zone d'instabilité de ce procédé réactif a été précisée par spectroscopie d'émission optique et par le suivi de la pression totale et du potentiel d'autopolarisation. Les conditions adéquates d'élaboration qui ont été définies, ont permis de déposer des films dont la composition varie presque linéairement, entre celles du nitrure et de l'oxyde de silicium. Ces couches sont formées par un mélange de nanophases de type SiO2 et Si3N4 incorporées dans une phase de SiOxNy amorphe. Des liaisons pendantes ont aussi été détectées sur les atomes de silicium. Les dépôts présentent des propriétés optiques (indice de réfraction, gap optique) et des propriétés diélectriques très intéressantes et variables en fonction de leur composition et de leur structure

Depuis 1995 et la première proposition de remplacer la grille flottante en polysilicium des mémoires non volatiles (MNV) par des nanocristaux de Si (nc-Si), la recherche est très active dans ce domaine. Cette étude se propose d'une part, d'améliorer les caractéristiques d'une MNV à nanocristaux en termes de temps de rétention et d'autre part, d'évaluer les possibilités d'un stockage multibits dans ces nanocristaux. De ce point de vue, le semiconducteur InAs présente des avantages par rapport au Si. En effet, l'InAs possède un offset de bande de conduction plus important que le Si avec l'oxyde SiO2, ce qui devrait conduire à un meilleur confinement des électrons et donc à un meilleur temps de rétention qu'avec le Si. Par ailleurs, la masse effective des porteurs dans l'InAs étant plus faible que celle dans le Si, les niveaux confinés sont mieux séparés, ce qui augmenterait les potentialités de stockage multibits avec des électrons. L'objectif de ma thèse a consisté à évaluer le potentiel d'une MNV à nanocristaux d'InAs (nc-InAs) par comparaison aux MNV à nc-Si. Dans un premier temps, il s'est agi de faire croître, dans un réacteur d'épitaxie par jets moléculaires, des nc-InAs sur un oxyde tunnel SiO2 formé sur un substrat Si. Les nanocristaux sont monocristallins et hémisphériques. Il s'est avéré que la température de croissance joue un rôle prépondérant dans le contrôle de la densité des nc-InAs alors que leur taille (de 2 à 10 nm de hauteur) dépend plutôt de la quantité de matière déposée. Leur densité peut atteindre 7 x 10^11 cm^(-2). Dans un deuxième temps, nous avons fabriqué des structures Métal-Oxyde-Semiconducteur (MOS) à nc-InAs destinées à intégrer des cellules mémoires. Nous avons montré qu'il était possible de charger et de décharger les structures à nc-InAs. Les temps d'écriture et effacement peuvent atteindre 1 us et 0,1 ms respectivement à 12 V et 11 V. Par ailleurs, les mesures des temps de rétention ont démontré que l'utilisation des nc-InAs permet d'augmenter le temps de rétention de 2 décades par rapport aux nc-Si pour une structure de dimensions identiques. Il s'avère que l'amélioration des caractéristiques de rétention des électrons dans les nc-InAs est due à l'offset de bande plus important de l'InAs avec le SiO2 que Si. En conclusion, la maîtrise de la croissance et de l'encapsulation des nc-InAs a permis leur intégration dans des dispositifs mémoires tests qui ont présenté des caractéristiques prometteuses pour les mémoires non volatiles.

L'objet de ce mémoire est de présenter le travail effectué au cours de cette thèse qui était de caractériser électriquement et de modéliser le transport électrique de trois architectures de transistors MOS pour des filières 50nm et en deçà : CMOS Si à oxyde ultrafin, nMOS Si:C et pMOS SiGe. Afin d'étudier les effets de canaux courts sur ces dispositifs nous avons proposé et/ou optimisé plusieurs procédures d'extraction de paramètres ainsi que plusieurs modèles physiques analytiques décrivant le comportement des principaux paramètres électriques de ce type de transistors aux longueurs de grille décananométriques. Ainsi, une méthode expérimentale complète et un modèle pour la partition du courant de grille ont été validés pour les transistors à oxyde ultrafin. Une optimisation de la méthode Split C-V pour les canaux courts a été validée donnant de précieux renseignements sur la mobilité des transistors MOS ultracourts. Un modèle a été validé pour le bruit 1/f des transistors à canal enterré SiGe sub-0,1μm. Toutes ces méthodes nous ont permis de montrer que les transistors à oxyde ultrafins gardaient de très bonne propriétés de transport électrique jusqu'à 30nm de longueur de grille, que les nMOS Si:C était une alternative fiable au fort dopage canal pour contrôler les effets de canaux courts des nMOS sub-0,1μm et que les pMOS SiGe avaient un niveau de bruit 1/f plus faible en forte inversion même aux longueurs de grille décanamométriques